關(guān)于使用LTE Cat M1 模塊實現(xiàn)生活系統(tǒng)的寬帶和智能手機方案

根據(jù)聯(lián)合國的預(yù)測，截止 2050 年，60 歲以上的人口將在全球人口中占據(jù) 22% 的比例，而在 2000 年，這一數(shù)字僅為 10%。在同一時期，地球上的人口總數(shù)將達到 80 億。從絕對數(shù)字來看，60 歲以上年齡段的人口將超過 17 億。雖然人們的壽命得到延長，在晚年仍然保持活力，但毫無疑問，社會上老年人口的增加將對全世界的醫(yī)療保健系統(tǒng)帶來更大的壓力。

正因為如此，很多人認為，新興的醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng) (IoMT) 將會日臻成熟，成為人口老齡化問題解決方案的一個重要部分，其中包括利用可穿戴技術(shù)來監(jiān)控糖尿病等病癥，到讓心臟活動達到接近恒定的狀態(tài)等。個人助理技術(shù)可在病人忘記服藥時及時提醒他們。我們已經(jīng)看到了 IoMT 技術(shù)的一些應(yīng)用典范，但我們預(yù)期它還會更廣泛地替代現(xiàn)有技術(shù)，特別是在醫(yī)療保健領(lǐng)域。在使用自然語音識別的人工智能平臺領(lǐng)域，一些專業(yè)公司已經(jīng)吸引了客戶的廣泛關(guān)注。機器人在這一領(lǐng)域的使用很可能也會增加。

新型、新發(fā)或潛在疾病的早期診斷是另一個可使用技術(shù)補充人為接觸的領(lǐng)域，例如使用居家系統(tǒng)來測量血壓、體溫和脈搏。市場上現(xiàn)在已經(jīng)推出了各種互聯(lián)設(shè)備，包括 ECG 監(jiān)視器、血糖儀、肺活量計等等。這些數(shù)據(jù)上傳到云平臺，可供病人或醫(yī)療專業(yè)人員訪問。

適用于互聯(lián)醫(yī)療設(shè)備的云平臺的興起有助于加快推廣這種新范式，而商用解決方案與 Kaa 等開源項目也將齊頭并進。這些解決方案將劃分為軟件即服務(wù) (SaaS) 或平臺即服務(wù) (PaaS)，并且可以與市場上已經(jīng)非常成熟完善的電子健康記錄 (EHR) 系統(tǒng)配合使用。

輔助生活

除使用技術(shù)監(jiān)測醫(yī)療狀況外，還可以通過輔助生活幫助老年人長期獨立生活。一些簡單而有效的方法便可確保獨居者能夠自理生活，如監(jiān)測他們的日常生活或使用電器的情況。

不過還有一類人群，他們幾乎不太可能會使用寬帶連接或智能手機向互聯(lián)的輔助生活解決方案提供回程連接。而沒有可靠的回程便無法獲得監(jiān)測數(shù)據(jù)。這些沒有寬帶連接或智能手機的人群因而淪為被遺忘的少數(shù)人群。

但幸運的是，有一種采用蜂窩連接的解決方案。第 13 版 3GPP 規(guī)范引入了多種用于 IoT 的新技術(shù)，它們統(tǒng)稱為 LTE-M。LTE-M 通常被歸為低功耗廣域網(wǎng) (LPWAN) 技術(shù)，可以滿足遠距離低帶寬連接的需求，并且避免了構(gòu)建和管理整個網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的復(fù)雜過程。將這些技術(shù)引入 LTE 規(guī)范，為 IoT 開啟了新的機遇。

應(yīng)用于各行業(yè)的 LTE Cat M1 的圖片

圖 1： LTE Cat M1 可能有助于在包括醫(yī)療保健在內(nèi)的所有行業(yè)部署 IoT。(：u-blox)

新推出的技術(shù)包括 eMTC 增強功能，亦稱 LTE Cat M1，該技術(shù)支持中低數(shù)據(jù)速率以及無線固件更新。它還包括多種可改善室內(nèi)覆蓋的模式，并且支持手機信號塔切換(這對任何移動設(shè)備都很關(guān)鍵)和基于 LTE 的語音傳輸 (VoLTE)，而對于任何旨在提供醫(yī)療保健服務(wù)的平臺來說，該功能可謂是至關(guān)重要。除以上特性外，LTE Cat M1 模塊還可以使用單塊一次電池長時間運行，某些情況下可長達 10 年。

這些模塊使用方便，主要用作提供輔助生活功能的互聯(lián)家居的核心部件，也可在家庭以外使用，以保持服務(wù)的連續(xù)性，避免其成為用戶的繁重負擔。一些制造商現(xiàn)已提供面向此具體用途的 LTE Cat M1 模塊。

模塊化解決方案

u-blox 的 SARA-R4 支持 LTE Cat M1 和 LTE Cat NB1;后者提供的帶寬較低，通常采用更簡化的智能傳感器等 IoT 端點，但也可用于輔助生活應(yīng)用。

該模塊能夠接受并識別 AT 命令，并且包含 I2C、SPI、UART 和 USB 接口，因此設(shè)備在系統(tǒng)級呈現(xiàn)為 USB 設(shè)備，表明可以將其連接到任何具有相關(guān)驅(qū)動程序的主機并由其控制。USB 接口符合 USB 2.0 規(guī)范，具有 480 kb/s 的最大傳輸速率，是與主機處理器間進行雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罡咝Х椒ā?/p>

圖 3 是 NimbeLink 的 Skywire LTE Cat M1 模塊(零件編號：NL-SW-LTE-SVZM20)。此模塊已獲得 FCC 認證，可以用于終端設(shè)備，這表示無需任何進一步的測試或鑒定程序便可交付使用，因而成為互聯(lián)平臺的理想之選。模塊接口兼容 XBee 接口標準，可以與多種開發(fā)套件或主機板搭配使用。

為支持開發(fā)人員，NimbeLink 還創(chuàng)建了 NL-M1DK 開發(fā)套件(圖 4)。圖 5 所示的套件方框圖顯示了套件的 Arduino 兼容接口，實際用作擴展板。但也可以通過 USB 將其連接到 PC。套件配備天線和 LTE SIM 卡。通過 PC 配置和枚舉為 USB 設(shè)備后，便可使用 Windows? 計算機上運行的任何適當終端程序發(fā)送的 AT 命令進行控制。

NL-M1DK 開發(fā)套件示意圖展示了 Arduino 兼容針座

圖 2： NL-M1DK 開發(fā)套件采用 Arduino 兼容針座。(： NimbeLink)

平臺構(gòu)建

小型 LTE Cat M1 模塊便于整合到病人或老年人攜帶的產(chǎn)品中。通過整合其他傳感器，這種設(shè)備可以檢測病人或老年人是否摔倒，或者相反，是否長時間保持靜止狀態(tài)。通過基于云的人工智能，可以快速學(xué)習(xí)個人模式，使平臺能夠在發(fā)生任何異常情況時通知護理提供商。

例如 Hillcrest Laboratories 推出的 BNO080 9 軸慣性測量裝置集成了三個傳感器和一個 Arm? Cortex?-M0+ 微控制器。這三個傳感器分別是 Bosch Sensortec 開發(fā)的三軸 12 位加速計、三軸 16 位陀螺儀和三軸地磁傳感器;而微控制器則采用 Hillcrest 的 SH-2 軟件。其中包括 MotionEngine DSP 軟件，用于解析 MEMS 傳感器提供的原始數(shù)據(jù)并精準地呈現(xiàn)出設(shè)備的運動情況。

在通過藍牙、ZigBee 或線程將個人局域網(wǎng) (PAN) 連接到設(shè)備后，該設(shè)備還能成為家庭控制中心，與家用電器或其他旨在提供輔助生活的智能傳感器相互通信。例如，窗戶和門上的傳感器或每個房間里的溫度傳感器。光傳感器還可以提供更多信息，例如，當天是否打開了窗簾。

可能的傳感器還包括 Rohm Semiconductor 的 BH1900NUX-TR，其采用雙線接口，能夠以數(shù)字方式表示 -20°C 至 +85°C 之間的溫度，精度為 ±3.0°C。Texas Instruments 的 DRV5032DUDMRT 超低功耗數(shù)字開關(guān)霍爾效應(yīng)傳感器可以用于窗戶/門監(jiān)控開關(guān)的設(shè)計中;當配置為以 5 Hz 的頻率更新輸出時，其在 1.8 V 供電電壓下的功耗僅為 0.54 μA。ams 的 TMD27723WA 數(shù)字環(huán)境光傳感器的響應(yīng)與人眼十分接近，是檢測室內(nèi)光度的理想之選。

將這些“小數(shù)據(jù)”上傳到云平臺并使用人工智能進行分析后，可以獲得用戶的“大數(shù)據(jù)”視圖，在提供監(jiān)控的同時盡可能減少個人隱私的侵犯。

聯(lián)機

使用 Raspberry Pi 3 作為主機，并結(jié)合 NL-AB-RPI Hat 或 NL-M1DK 開發(fā)套件以及 Skywire LTE Cat M1 調(diào)制解調(diào)器，便可相對輕松地著手開發(fā)互聯(lián)設(shè)備。只需在 Pi 上安裝 Raspbian 和 PPP(點對點協(xié)議)包，并通過適當?shù)慕K端程序執(zhí)行 AT 命令，模塊便可聯(lián)機。

創(chuàng)建輔助生活智能控制中心既簡單又快捷。越來越多的云服務(wù)提供商開始提供針對 IoT 量身定制的平臺，例如 Amazon 的 AWS IoT 服務(wù)。連接控制中心后，便可使用它將數(shù)據(jù)推送至云進行進一步的處理。

Amazon 提供的服務(wù)包括：AWS IoT core，一種支持在設(shè)備和云之間進行安全交互的托管云平臺;AWS IoT 設(shè)備管理服務(wù)，可滿足管理大量設(shè)備的需要;AWS IoT Analytics，一項在機器學(xué)習(xí)的支持下對數(shù)據(jù)進行分析，從而獲取數(shù)據(jù)洞察的托管服務(wù)。

設(shè)置并登入 AWS 帳戶后，下一步是將 Raspberry Pi 注冊為一個“物”，此時會為其分配一個 REST API;一個用于訪問服務(wù)的唯一標識符。隨即生成證書以及公鑰和私鑰，以確保安全的數(shù)據(jù)交換。然后在 Pi 上安裝 AWS IoT SDK，例如 Embedded C SDK。該 SDK 以源代碼格式分發(fā)，包含 MQTT 傳輸客戶端和 TLS 實現(xiàn)，以及相關(guān)的使用說明。借助 SDK，設(shè)備可以更方便地使用 MQTT 訪問 AWS IoT 代理的發(fā)布/訂閱功能，以及訪問 API 功能。安裝 SDK 后，注冊期間獲得的安全信息將被復(fù)制到 aws_iot_config.h 文件中，如下所示?，F(xiàn)在可以執(zhí)行包含在 SDK 中的樣例應(yīng)用程序。Amazon 還為用于 C++、Python、Java 和 JavaScript 的 SDK 提供了類似功能。

Copy// Get from console

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#define AWS_IOT_MQTT_HOST "a22j5sm6o3yzc5.iot.us-east-1.amazonaws.com"

#define AWS_IOT_MQTT_PORT 8883

#define AWS_IOT_MQTT_CLIENT_ID "MyRaspberryPi"

#define AWS_IOT_MY_THING_NAME "MyRaspberryPi"

#define AWS_IOT_ROOT_CA_FILENAME "root-CA.crt"

#define AWS_IOT_CERTIFICATE_FILENAME "4bbdc778b9-certificate.pem.crt"

#define AWS_IOT_PRIVATE_KEY_FILENAME "4bbdc778b9-private.pem.key"

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圖 6： 將 AWS IoT 設(shè)備注冊過程中生成的安全信息添加到 SDK 配置文件后，您的設(shè)備便可與云服務(wù)相互通信。